유윤상
(n-Sang Yu)
1iD
권창현
(Chang-Hyun Kwon)
2iD
정우철
(Woo-Cheol Jeong)
3iD
유찬훈
(Chan-Hun Yu)
3iD
김형석
(Hyoung-Suk Kim)
4iD
장성록
(Sung-Roc Jang)
†iD
-
(M.S. course, Electric Energy Conversion Engineering, University of Science & Technology
(UST), Korea)
-
(Ph.D. course, Electric Energy Conversion Engineering, University of Science & Technology
(UST), Korea)
-
(Senior Researcher, Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), Korea)
-
(Principal Researcher, Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Power converter, Isolated converter, Pulsed power modulator
1. 서 론
최근 고전압 펄스 전원 장치는 반도체 제조 공정, 환경 개선, 농업 생산량 향상 등 다양한 응용 분야에서 널리 이용되고 있다[1-4]. 특히 충전된 다수의 커패시터를 직렬로 연결하여 고전압을 발생시키는 막스 모듈레이터 구조는 출력 전압 대비 낮은 충전 요구 전압 및 모듈화에 유리한
장점으로 고전압 펄스 전원 장치에 널리 이용되고 있다[5-9]. 막스 모듈레이터 구조의 고전압 펄스 전원 장치는 커패시터 및 스위치들로 구성된 파워 셀을 다수 사용해 출력 전압의 조정이 가능하며, 파워 셀을
충전하기 위해 일반적으로 단일 컨버터로 모든 커패시터를 충전하는 파워 루프 방식 및 개별 전원을 사용해 커패시터를 충전하는 방식이 사용된다[6-9]. 단일 컨버터를 사용해 모든 커패시터를 동시에 충전하는 방식은 하나의 컨버터를 사용해 파워 셀의 커패시터에 충전되는 전압을 일괄적으로 조절 가능하고,
단일 1차 측을 공유하는 변압기를 사용하여 1, 2차측 간의 절연이 용이한 장점을 갖는다. 그러나, 이러한 구조는 파워 셀의 수가 변하는 경우 컨버터의
공진 파라미터가 변경되는 문제가 존재하며, 유지 보수가 어려운 단점을 갖는다. 개별 전원 장치를 사용해 파워 셀을 충전하는 방식의 경우, 파워 셀의
숫자를 변경해 더 넓은 범위의 출력 전압 조절이 용이하며, 전원 장치 및 파워셀의 유지보수가 편리한 장점을 갖는다. 반면, 전원 장치의 출력단이 파워
셀과 연결되어 최종 펄스 출력 전압에 비례하는 전위가 전원 장치에 인가되므로 높은 수준의 절연이 요구되며, 또한 출력단 전위와 관계없이 출력 전압을
제어할 수 있는 제어 방식이 필요한 어려움이 존재한다. 개발된 컨버터 모듈은 개별 전원 장치를 사용하는 방식의 어려움을 해결하기 위해 고전압 케이블을
사용해 변압기를 권취한 절연형 컨버터 사용 및 변압기에 3차 권선을 권취해 제어에 사용하는 방식을 제안한다. 제안된 방식을 통해 고전압이 인가되는
컨버터 출력단으로부터 변압기 코어 및 1차측 절연을 달성하며, 3차 권선을 사용해 높은 전위를 갖는 출력측과 분리된 전압을 측정해 출력단의 전위와
무관하게 정전압 제어를 가능하도록 하였다. 컨버터 모듈의 개발을 위한 고려사항 및 설계에 대하여 기술하며, 시뮬레이션 및 실험을 통해 개발된 컨버터
모듈의 성능을 검증한다. 또한, 파워 셀과 연계 실험을 통해 펄스 출력 상황에서 전압원 성능을 확인한다.
2. 절연형 컨버터 모듈 설계
2.1 설계 고려 사항
고전압 펄스 전원 장치의 전체 구조는 Fig. 1과 같다. 하나의 컨버터 모듈이 하나의 파워 셀과 연결되어 커패시터를 충전하고, 충전된 커패시터를 반도체 스위치를 사용해 부하와 직렬로 연결하여 고전압을
인가한다.
이 때, 컨버터 모듈은 균일한 출력 전압 달성을 위해 낮은 리플의 커패시터 전압이 요구된다. 또한, 다수의 컨버터 모듈과 파워 셀이 연결된 구조이므로,
전력 밀도의 향상을 위해 단위 모듈의 체적을 줄일 필요가 있다. 이를 위해 개발된 컨버터 모듈은 높은 스위칭 주파수로 동작하도록 설계한다. 기존에
개발된 펄스 전원용 전원 장치 대비 높은 200kHz의 정격 스위칭 주파수를 선정하여 설계를 진행하였으며[9], 이를 통해 출력 리플을 저감 하고, 동시에 요구되는 공진 탱크 소자의 값을 줄여 소자의 체적을 줄인다. 또한, 다수의 파워 셀이 직렬로 연결되어
고전압을 인가하므로, 컨버터 모듈의 절연이 필요하다. 개발된 컨버터 모듈은 최대 10kV의 전위에서의 동작이 요구되며, 이를 위해 변압기 및 정류기의
절연을 고려하여 구조 설계를 진행하였다. 동시에 각 모듈의 전압을 제어하기 위한 절연된 센싱 방식 또한 고려가 필요하며, 개발된 컨버터 모듈은 이를
위해 변압기의 3차 권선을 통해 출력 전압을 제어하는 방식을 사용해 개발되었다. Fig. 2는 개발된 컨버터 모듈의 구성이다. 배전압 정류기를 사용한 LCC 공진형 컨버터를 기반으로, 전압 제어를 위한 3차 권선이 적용된 구조를 갖는다.
Fig. 1. Structure of a power supply based on power cells
Fig. 2. Structure of developed power supply module
2.2 컨버터 모듈 설계
개발된 컨버터 모듈의 요구 사양은 Table 1과 같다. 고주파 스위칭 시 발생하는 스위칭 손실을 효과적으로 저감하기 위해, 영 전압 스위칭 구현이 용이한 LCC 공진형 컨버터 토폴로지를 적용하여
설계를 진행하였다. LCC 공진형 컨버터는 직렬 인덕턴스와 직렬 커패시턴스, 병렬 커패시턴스로 구성된 공진 탱크를 사용하며, 변압기의 누설 인덕턴스를
직렬 공진 인덕턴스로 활용함으로써 별도의 외부 인덕터 없이도 공진을 구현할 수 있어 소자 수를 줄이고 전력 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 변압기의
자화 인덕턴스를 공진에 포함하지 않으므로 변압기 설계가 비교적 용이하다. 추가로, 개발된 컨버터 모듈은 공진 전류의 파형이 사다리꼴과 같은 형상을
띄도록 설계해 RMS 값을 줄여 도전 손실을 저감 하였다.
수식 (1)은 사다리꼴 형태의 공진 전류를 갖는 LCC 공진형 컨버터의 공진전류 첨두치를 계산하기 위한 식이며, 수식 (2)는 출력 전력을 구하기 위한 식이다[7]. 수식 (2)의 출력 전력 Po, 입력 전압 Vin, 정격 스위칭 주파수 Fsw 값은 모두 주어져 있으며, 병렬 공진 주파수 Fop의 값은 경부하 제어를 고려해 Fsw 값의 2배로 선정하여 설계를 진행하였다. 이를 통해 공진 전류의 최댓값 ILs,peak 값을 구하고, 식 (1)을 사용해 특성 임피던스 Zop를 계산한다. 주어진 Fop 및 Zop 값을 사용해 직렬 공진 인덕턴스 Ls 및 병렬 공진 커패시턴스 Cp 값의 계산이 가능하며, 경부하 제어를 고려하여 Cp 값에 따른 직렬 공진 커패시턴스 Cs값을 선정한다. Table 2는 설계된 컨버터 모듈의 소자 값이다. 부하 조건에 따른 정류된 입력 3상 전압의 커패시터 필터 전압 강하를 고려해 평균 DC 전압인 513V 대비
여유를 두어 500V로 선정 하였으며, 200kHz의 정격 동작 주파수에서 1kV, 3kW의 출력을 내도록 설계를 진행하였다. 공진 소자의 값은 Ls, Cs, Cp 순으로 각각 52.73μH, 53.08nF, 3.01nF으로 설계되었다.
Table 1. Specifications of Developed power supply module
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Specifications
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Value
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Input AC Voltage, Vin
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3Φ 380V
|
|
Output Voltage, Vo
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1kV
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Rated Power, Prate
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3kW
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Maximum Operating Voltage, Vmax
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10kV
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Table 2. Parameters of designed power supply module
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Specifications
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Value
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Input DC Voltage, VDC
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500 V
|
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Output DC Voltage, Vo
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1 kV
|
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Output Power, Po
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3 kW
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Rated Switching Frequency, Fsw
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200 kHz
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Transformer Turns Ratio, N1:N2:N3
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13 : 13 : 6
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Series resonance inductance, Ls
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52.73 μH
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Series Resonance Capacitance, Cs
|
53.08 nF
|
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Parallel Resonance Capacitance, Cp,pri
|
3.01 nF
|
2.3 변압기 설계
최대 10kV의 출력 전위에서 동작하는 컨버터 모듈은 충분한 절연 내력의 확보가 요구되며, 따라서 변압기의 권선은 15kV의 정격 전압 내력을 갖는
고전압 케이블을 사용하여 절연 성능을 확보하였다. 정격 200kHz의 스위칭 주파수로 동작하므로 변압기 코어 손실을 고려해 최대 0.1 T 미만의
자속 밀도를 갖도록 변압기를 설계하였다. TDK PC40 UI100X105X30 변압기 코어를 사용하여 10턴 이상 1차 측을 권취하였을 때 목표한
자속 밀도 달성이 가능하며, 코어의 권선 공간을 고려해 1차 측 및 2차 측 모두 13턴으로 권취된 변압기를 사용하였다. 또한, 출력단의 전위와 무관하게
출력 전압을 측정해 제어하기 위해 변압기의 2차 권선 위에 3차 권선을 추가로 감아 출력 전압을 측정하는 센싱 방법의 사용을 사용한다. 컨버터 모듈의
출력단인 2차 권선과 동일한 자속 경로를 공유하는 3차 권선은 변압기 2차 측 전압 변동을 추종하므로 출력단과 절연된 상태로 출력 전압의 제어가 가능하다.
이 때, 권취된 3차 권선과 2차 권선 간의 결합 계수를 높이고, 안정적인 결합을 유지하기 위해 넓은 권취 면적을 공유하도록 권취한다. 제안된 센싱
방식은 3차 권선에 유도된 전압을 전파 정류 회로를 거쳐 RC 병렬 회로에 정류된 전압을 충전하며, 충전된 전압을 분압하여 제어를 위한 측정 전압으로
공급하여 컨버터의 출력 전압 제어를 수행한다. 개발된 컨버터 모듈의 3차 권선은 정류 회로의 전압 내력 및 손실을 고려하여 변압기 2차 측 전압의
약 절반을 얻을 수 있도록 6턴 권취하여 제작되었다.
2.4 시뮬레이션 결과
Fig. 3은 설계된 파라미터를 적용한 LCC 공진형 컨버터의 공진전류 및 출력 전압 시뮬레이션 결과이다. 정격 동작 주파수인 200kHz의 스위칭 주파수 조건에서의
출력 전압은 1020V로 나타났다. 이 때, 사다리꼴 형태의 공진전류 파형을 확인할 수 있으며, 공진 전류의 첨두값 및 RMS 값은 각각 약 9.45A,
7.91A로 측정되었다. 또한, 3차 권선을 통해 정류된 센싱 전압으로 약 239V가 측정되었으며, 이는 이상적인 조건에서 계산된 이론값인 235V와
유사한 수준이다. Fig. 4는 입력 전압 리플을 고려해 정류된 직류 전압 537V 및 470V 조건의 시뮬레이션 결과이다. 1kV의 출력 전압을 낼 때, 두 조건 모두 사다리꼴
형태의 공진 전류 파형을 유지하며 출력 전압을 내는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다. Fig. 5는 파워 셀과 연계된 실제 실험 조건을 가정하여 RC 부하를 사용해 1 kV의 펄스 출력 전압을 출력하는 경우의 시뮬레이션 결과이다. 펄스 출력 조건에서도
컨버터 모듈이 안정적인 전압을 유지하는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다.
Fig. 3. Simulation results of designed power supply module on rated load condition
Fig. 4. Simulation results at input DC voltages of 537V and 470V
Fig. 5. Simulation results under pulsed output voltage condition
3. 실험 결과
Fig. 6는 제작된 컨버터 모듈이다. 절연을 고려하여 제어기, 인버터, 정류기 각 PCB 간의 거리를 이격시켜수직으로 구성하였으며, 최대 15kV의 절연 내력을
갖는 고전압 케이블을 사용하여 변압기를 권취하였다. 또한 3차 권선이 변압기의 2차 권선과 넓은 면적을 공유하도록 하였으며, 3차 권선과 연결된 정류
회로는 정류기의 다이오드로부터 이격하여 실장하였다. Table 3은 정격 부하 실험의 부하 저항 값 및 제작된 컨버터 모듈의 공진 탱크 파라미터이며, 설계 과정을 통해 얻은 값과 유사한 값을 갖도록 소자를 선정하여
제작을 진행하였다. 또한 직렬 공진 인덕턴스를 변압기의 누설 인덕턴스로 대체하여 추가 인덕터 실장 없이 컨버터 모듈을 제작하였다. Fig. 7는 제작된 컨버터 모듈의 정격 부하 조건 동작 실험 결과 파형이다. 330Ω의 저항 부하를 사용하여 실험을 진행하였으며, 설계를 통해 얻고자 했던
사다리꼴 형태의 공진 전류 파형을 확인하였다. 또한 제안된 센싱 방법을 통한 센싱 전압이 출력 전압을 추종하는 것을 실험을 통해 확인하였다. Fig. 8은 제작된 컨버터 모듈과 파워 셀의 연계 실험을 위한 실험 구성으로, 2개의 컨버터 모듈 및 파워 셀을 직렬로 연결하여 실험을 진행하였다. 각 컨버터
모듈은 1kV의 출력 전압을 내도록 하였으며, 1nF의 커패시터와 100Ω의 부하 저항을 직렬 연결하여 부하를 구성하였다. Fig. 9은 Fig. 8의 연계 실험 결과 파형으로, 펄스 부하 조건에서 출력 리플이 3% 이내로 유지되었으며, 출력 전압을 안정적으로 유지하는 것을 실험을 통해 확인하였다.
Fig. 6. Implemented power supply module
Fig. 7. Experimental results of rated load condition
Fig. 8. Experimental setup for the integration of the power cell and the power supply
module
Fig. 9. Waveforms from the integrated experiment of the power cell and the power supply
module
Table 3. Implemented parameters of developed power supply module and experimental
condition of rated load test
|
Specifications
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Value
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|
Load Resistance, Rload
|
330 Ω
|
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Series resonance inductance, Ls
|
41 μH
|
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Series Resonance Capacitance, Cs
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68 nF
|
|
Parallel Resonance Capacitance, Cp,pri
|
4.4 nF
|
6. 결 론
본 논문은 고전압 펄스 전원 장치용 컨버터 모듈의 개발에 대해 기술하였다. 개발된 컨버터 모듈은 최대 10kV의 플로팅된 전위에서 동작하며, 1kV의
정격 출력 전압을 갖는다. 출력 전압의 리플을 줄이는 동시에 사용되는 소자의 체적을 줄이기 위해 200kHz의 높은 스위칭 주파수로 동작하도록 설계되었으며,
스위칭 손실 및 도전 손실 저감 및 기생 성분을 활용하여 사용되는 소자의 수를 줄이기 위해 LCC 공진형 컨버터 토폴로지를 사용해 사다리꼴 형태의
공진 전류 파형을 갖도록 설계하였다. 또한, 출력단의 전위와 무관하게 출력 전압을 측정하여 제어하기 위해 변압기의 2차 권선 위에 3차 권선을 감아
절연된 전압을 측정하는 방식을 사용하였다. 정격 저항 부하 조건 및 고전압 펄스 전원 장치의 파워 셀과 연계한 실험을 통해 개발된 컨버터 모듈의 성능을
확인하였다.
Acknowledgement
이 연구는 2025년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행된 한국전기연구원 기본사업임. (No. 25A01055)
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solid-state marx modulator,” Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical
Installation Engineers, vol. 32, no. 11, pp. 54-59, 2018.
Biography
He received his B.S. degree in electrical engineering from Soongsil University,
Seoul, Korea, in 2022. He is currently working toward the M.S. degree in electric
energy conversion engineering from University of Science and Technology (UST), Daejeon,
Korea. His current research interests include high-voltage resonant converters and
solid-state pulsed power modulators and their industrial applications.
He received his B.S. from Pusan National University, Busan, Korea, in 2021. He
is currently studying as an integrated course student for Ph.D. degree in University
of Science and Technology (UST), Daejeon, South Korea. His current research interests
include high power resonant converter, capacitor charging power supply, dc circuit
breaker and their industrial applications.
He received the B.S. and Ph.D. degrees through an integrated M.S. and Ph.D. program
in energy systems engineering from Chung-Ang University, Seoul, South Korea, in 2019
and 2025, respectively. Since 2025, he is working as a Senior Researcher at the Electrophysics
Research Center, Korea Electro- technology Research Institute, Changwon, South Korea.
His current research interests include high-voltage pulsed-power supply systems and
high-voltage dc-dc converters. Dr. Jeong was a recipient of the Tom R. Burkes Outstanding
Graduate Award at the International Power Modulator and High Voltage Conference in
2024.
He received the B.S. degree from Kyungpook National University, Daegu, South Korea,
in 2013, the M.S. degree from Korea Advanced Institute of Science and Technology,
Daejeon, in 2015, both in electrical engineering, and the Ph.D. degree in energy engineering
from Kyungpook National University, in 2024. Since 2015, he has been a Senior Researcher
of Electrophysics Research Center with Korea Electrotechnology Research Institute,
Changwon, South Korea. His research interests include high voltage/power dc-dc converters,
solid-state pulsed power modulators, and their industrial applications.
He received the B.S. degree from Pusan National University, Busan, South Korea,
in 2007 and the integrated M.S. and Ph.D. degrees from Korea Advanced Institute of
Science and Technology (KAIST), Daejeon, South Korea, in 2013, all in electrical engineering.
He is currently a Principal Researcher with Electrophysics Research Center in Korea
Electrotechnology Research Institute (KERI), Changwon, South Korea. In 2020, he became
an Associate Professor with the Department of Energy Conversion Technology, University
of Science and Technology, Deajeon, Korea. His research interests include the areas
of power electronics including power converters, high voltage power systems for industrial
applications, and digital control of power conversion circuits.
He received the B.S. degree from Kyungpook National University, Daegu, Korea, in
2008, the integrated M.S. and Ph.D. degrees from the University of Science and Technology
(UST), Deajeon, Korea, in 2011, all in electrical engineering. Since 2011, he has
been a Director of Electrophysics Research Center with Korea Electrotechnology Research
Institute (KERI), Changwon, South Korea. In 2015, he became an Associate Professor
with the Department of Energy Conversion Technology, University of Science and Technology.
His research interests include high voltage resonant converters and solid-state pulsed
power modulators, and their industrial applications.
Dr. Jang received the Young Scientist Award at 3rd Euro-Asian Pulsed Power Conference
in 2010, and the IEEE Nuclear Plasma Science Society (NPSS) Best Student Paper Award
at IEEE International Pulsed Power Conference in 2011.